JP2004362903A

JP2004362903A - 質量分析装置

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Publication number: JP2004362903A
Application number: JP2003158815A
Authority: JP
Inventors: Mitsuyasu Iwanaga; 岩永光恭; Tatsuji Kobayashi; 小林達次
Original assignee: Jeol Ltd
Current assignee: Jeol Ltd
Priority date: 2003-06-04
Filing date: 2003-06-04
Publication date: 2004-12-24
Anticipated expiration: 2023-06-04
Also published as: JP4223866B2

Abstract

【課題】オリフィス部やスリット部での帯電現象を、改善ないし緩和することのできる質量分析装置を提供する。
【解決手段】イオン源の後段に置かれ、イオン源よりも高い真空を維持する中間室にイオンを取り込むために設けられた中間スリットと、中間スリットの後段に置かれ、取り込んだイオンを誘導するイオンガイドと、イオンガイドの後段に置かれ、誘導されたイオンをより高真空領域に取り込む差動排気オリフィスと、差動排気オリフィスの後段に置かれ、取り込まれたイオン流の形状を規制する入射ビーム規制スリットとを備え、前記中間スリットと、前記差動排気オリフィスと、前記入射ビーム規制スリットのうち、少なくとも１つを、電気絶縁材によって接地電位から分離し、電圧を印加可能な構造にした。
【選択図】図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、イオン源により生成された試料イオンを分析する質量分析装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
質量分析装置は、試料から生成するイオンを真空中で飛行させ、飛行の過程で質量の異なるイオンを分離して、スペクトルとして記録する装置である。質量分析装置には、扇形磁場を用いてイオンの質量分散を行なわせる磁場型質量分析装置、四重極電極を用いて質量によるイオンの選別（フィルタリング）を行なわせる四重極質量分析装置（ＱＭＳ）、質量によるイオンの飛行時間の違いを利用してイオンを分離する飛行時間型質量分析装置（ＴＯＦＭＳ；ｔｉｍｅｏｆｆｌｉｇｈｔＭＳ）などが知られている。
【０００３】
これらの質量分析装置の内、磁場型質量分析装置とＱＭＳは、連続的にイオンを生成するタイプのイオン源に適合しているのに対し、ＴＯＦＭＳは、パルス状にイオンを生成するタイプのイオン源に適合している。従って、連続型のイオン源をＴＯＦＭＳに利用しようとすれば、イオン源の利用のしかたに工夫が必要である。直交加速型飛行時間型質量分析装置（ＯＡ−ＴＯＦＭＳ；ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎＴＯＦＭＳ）は、連続型のイオン源からパルス状のイオンを射出することができるように工夫されたＴＯＦＭＳの一例である。
【０００４】
図１に、典型的なＯＡ−ＴＯＦＭＳの構成を示す。ＯＡ−ＴＯＦＭＳは、電子衝撃（ＥＩ）イオン源、化学イオン化（ＣＩ）イオン源、電界脱離（ＦＤ）イオン源、エレクトロスプレイ（ＥＳＩ）イオン源、高速原子衝撃（ＦＡＢ）イオン源などの連続型の外部イオン源１と、第１および第２の隔壁および図示しない真空ポンプによって構成される差動排気壁１０と、該差動排気壁１０の第１の隔壁上に設けられた第１のオリフィス２と、該差動排気壁１０内に置かれたリングレンズ３と、該差動排気壁１０を構成する第２の隔壁上に設けられた第２のオリフィス４と、イオンガイド５が置かれた中間室１１と、収束レンズおよび偏向器から成るレンズ群６、イオン押し出しプレートと加速レンズ（グリッド）から成るランチャー７、イオンを反射するリフレクター８、およびイオン検出器９などのイオン光学系を構成する構成物が置かれた測定室１３とを備えている。
【０００５】
このような構成において、外部イオン源１において試料から生成したイオンは、まず最初に、第１のオリフィス２を通って差動排気壁１０に導入される。そして、差動排気壁１０内で拡散しようとするイオンは、差動排気壁１０内のリングレンズ３によって集束され、第２のオリフィス４を通って中間室１１に導入される。中間室１１に導入されたイオンは、中間室１１内で運動エネルギーを落とし、イオンガイド５から発生する高周波電界によってイオンビーム径を小さくして、高真空な測定室１３へと誘導される。中間室１１と測定室１３を仕切る隔壁には、第３のオリフィス１２が設けられている。イオンガイド５から誘導されてきたイオンは、この第３のオリフィス１２によって、丸い一定の径を持ったイオンビームに整形されて、測定室１３に導入される。
【０００６】
測定室１３の入口には、収束レンズと偏向器とから成るレンズ群６、および図示しない入射ビーム規制スリットが設置されている。測定室１３に入ってきたイオンビームは、レンズ群６によりビームの拡散や偏向を是正され、入射ビーム規制スリットでビームの断面形状を整えられた後、ランチャー７に導入される。ランチャー７内には、イオン押し出しプレートとグリッドが対向配置されて成るイオン溜と、該イオン溜の軸方向に対して直交する方向に並ぶ加速レンズとが設置されている。
【０００７】
イオンビームは、最初、図２に示すように、２０〜５０ｅＶの低エネルギー状態で、イオン押し出しプレート１４とグリッド１５および加速レンズ１６によって挟まれたイオン溜１７に向けて、平行に進入する。イオン溜１７内を平行に移動する一定の長さを持ったイオンビーム１８は、イオン押し出しプレート１４に数ｋＶ程度のパルス状の加速電圧を印加することにより、イオンビーム１８の進入軸方向（Ｘ軸方向）とは垂直な方向（Ｚ軸方向）にパルス状に加速され、イオンパルス１９となって、イオン溜１７と対向する位置に設けられた図示しないリフレクターに向けて飛行を開始する。
【０００８】
垂直方向に加速されたイオンは、測定室１３に導入されたときのＸ軸方向の速度と、それとは垂直な方向にイオン押し出しプレート、グリッド、及び加速レンズによって与えられたＺ軸方向の速度とが足し合わされるため、完全なＺ軸方向ではなく、わずかに斜めを向いたＺ軸方向に飛行し、リフレクター８で反射されて、イオン検出器９に到達する。
【０００９】
イオンの加速の過程では、イオンの質量の大小にかかわらず、同じ電位差がイオンに作用するため、軽いイオンほど速度が速くなり、重いイオンほど速度が遅くなる。その結果、イオンの質量の違いがイオン検出器８に到達するまでの到達時間の違いとなって現れ、イオンの質量の違いをイオンの飛行時間の違いとして分離することができる。
【００１０】
このようにして、連続型のイオン源１から生成したイオンビームを、イオン押し出しプレート、グリッド、及び加速レンズから成るランチャー７によってパルス状に加速することにより、連続型のイオン源を、パルス状のイオン源に対して適合性を持つＴＯＦＭＳに適用することができる（特許文献１）。
【００１１】
【特許文献１】
特開２００２−１１７８０２号公報
【特許文献２】
特開２０００−２４３３４３号公報
【非特許文献１】
発明協会公開技報、９３−２９１９１
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、イオンが通過する経路にある、装置構成部材に、２０〜５０ｅＶ程度の、低い加速エネルギーのイオンが照射された場合、その部材表面の導電性が低い状態にある場合は、そこでイオンの持つ電荷が蓄積されて、帯電状態になる。そうなると、その帯電した部位に、本来のイオン光学系に想定しなかった、異常な電位が形成され、そこに生じた電界が、低速のイオンを、本来的な飛行軌道からずれた方向へと偏向し、後段へのイオン輸送の妨げとなってしまう。
【００１３】
実際、差動排気を行なうために、オリフィスを設けて、空間を仕切っている部分や、スリットを設けて、イオンビームの行路の一部を遮って、後段へのイオンビームの広がりを規制している部分では、照射イオンの電荷が蓄積されたことによる帯電に起因して、異常現象が発生することが分かった。
【００１４】
このような帯電現象が発生する、最大の理由の１つは、イオンビームの照射に曝される部材の表面に、絶縁性の酸化膜が形成されたり、部材表面の汚れが経時的に蓄積されたりすることなどにより、部材表面の電気抵抗が、増大することである。
【００１５】
本発明の目的は、上述した点に鑑み、オリフィス部やスリット部での帯電現象を、改善ないし緩和することのできる質量分析装置を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するため、本発明の質量分析装置は、
イオンが低加速エネルギーで衝突する部分を、電気絶縁材によって接地電位から分離し、電圧を印加可能な構造にしたことを特徴としている。
【００１７】
また、前記低加速エネルギーは、１００ｅＶ以下であることを特徴としている。
【００１８】
また、試料をイオン化するイオン源と、
イオン源の後段に置かれ、イオン源よりも高い真空を維持する中間室にイオンを取り込むために設けられた中間スリットと、
中間スリットの後段に置かれ、取り込んだイオンを誘導するイオンガイドと、
イオンガイドの後段に置かれ、誘導されたイオンをより高真空領域に取り込む差動排気オリフィスと、
差動排気オリフィスの後段に置かれ、取り込まれたイオン流の形状を規制する入射ビーム規制スリットと、
入射ビーム規制スリットの後段に設けられたイオン溜と、
イオン溜内のイオンに、所定の運動エネルギーを与えて、イオン溜の軸方向と交差する方向に、パルス的にイオンを押し出して、イオンの飛行時間を分析する飛行時間型分光部と、
飛行時間型分光部を通って飛来するイオンパルスを検出するイオン検出部と
を備え、
前記中間スリットと、前記差動排気オリフィスと、前記入射ビーム規制スリットのうち、少なくとも１つを、電気絶縁材によって接地電位から分離し、電圧を印加可能な構造にしたことを特徴としている。
【００１９】
また、前記イオン源は、ＥＩイオン源、またはＣＩイオン源であることを特徴としている。
【００２０】
また、前記入射ビーム規制スリットの後段に、洩れ電界を遮蔽する電界シールドを設けたことを特徴としている。
【００２１】
また、前記中間スリット、前記差動排気オリフィス、前記入射ビーム規制スリットに印加される電圧は、イオンの極性と逆の極性を持ち、イオンを８０ｅＶ以上に加速できる直流電圧であることを特徴としている。
【００２２】
また、前記中間スリット、前記差動排気オリフィス、前記入射ビーム規制スリットのうちの少なくとも１つの近傍に、加熱機構を設けたことを特徴としている。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図３は、本発明にかかる質量分析装置の一実施例を示した図である。図を簡略化するため、図１に示した、外部イオン源１、差動排気壁１０、中間室１１の３者を、イオン生成・輸送部２１として、１つにまとめた。また、中間スリット２２は、図１の第２のオリフィス４に、また、差動排気オリフィス２３は、図１の第３のオリフィス１２に、それぞれ対応している。外部イオン源には、ＥＩイオン源やＣＩイオン源が用いられる。
【００２４】
本実施例が、図１の従来例と異なる点は、中間スリット２２、差動排気オリフィス２３、および、直交加速飛行時間型質量分析器（飛行時間型分光部）２６の内部に設けられた入射ビーム規制スリット２４が、電気絶縁部材を介して設置されていることである。中間スリット２２、差動排気オリフィス２３、および、直交加速飛行時間型質量分析器２６の内部に設けられた入射ビーム規制スリット２４は、従来、接地電位に設定されていた。ところが、本実施例では、中間スリット２２、差動排気オリフィス２３、および、直交加速飛行時間型質量分析器２６の内部に設けられた入射ビーム規制スリット２４は、それぞれ、電気絶縁部材で、接地された電位から分離されており、図示しない電源により、所定の電圧が供給されるように、構成されている。
【００２５】
また、簡略化のため、図示しないが、入射ビーム規制スリット２４とイオン溜２５との間に、入射ビーム規制スリット２４からの洩れ電界をシールドするための、接地電位の導電性スリット部材を設けても良い。
【００２６】
この実施例の動作について、説明する。イオン生成・輸送部２１で生成し、輸送されて、直交加速飛行時間型質量分析器２６内部のイオン溜２５へと入射してくるイオンは、総体として、イオンビーム２９を形成する。このイオンビーム２９は、途中、いくつかの障壁となる部位に、イオンの一部が衝突することで、次第にその総量が減じられて、最終のイオン溜２５に到達する。ここで、障壁とした部位には、中間スリット２２、差動排気オリフィス２３、入射ビーム規制スリット２４も含まれる。
【００２７】
中間スリット２２は、イオン輸送のためのイオン光学上の要素として設置され、レンズ系の作用場の端面形成や、前後の電界シールドとして作用する。イオンビーム２９の輪郭部のサイズが、中間スリット２３の開口部のサイズよりも大きいと、その部分は、この中間スリット２２に衝突して、進行を止められる。
【００２８】
差動排気オリフィス２３は、イオン生成・輸送部２１と直交加速飛行時間型質量分析器２６との真空度差を維持するために設けられる。通常、この部材は、排気抵抗となるように、イオン光軸上に細孔を配置したものとなる。このため、イオンビーム２９の輪郭部のサイズが、差動排気オリフィス２３の細孔のサイズよりも大きいと、その部分は、この差動排気オリフィス２３部材に衝突して、進行を止められる。
【００２９】
入射ビーム規制スリット２４は、イオン溜２５に導かれるイオンを、所定の入射条件に規制するために設置される。入射ビーム規制スリットの上流側においては、イオンビーム２９が、余分な広がりを持っている。そこで、入射ビーム規制スリット２４で、イオン溜２５に入射するイオンビーム２９の幅を、入射ビーム規制スリット２４の開き幅以下に制限する。これにより、入射ビーム規制スリット２４の開口部を通過できなかったイオンは、この部材に衝突して、進行を止められる。
【００３０】
ところで、以上述べた、中間スリット２２、差動排気オリフィス２３、入射ビーム規制スリット２４の３者に衝突して、進行を止められたイオンの電荷のほとんどは、衝突した部材の表面に移動することになる。もし、中間スリット２２、差動排気オリフィス２３、入射ビーム規制スリット２４の３者が、本来の高い導電状態を維持していれば、イオンから移動してきた電荷は、図示しない電極電源回路側に流れ、これら３者の部材は、接地電位を維持できることになる。ところが、部材の表面に、絶縁性の酸化膜が形成されたり、部材表面の汚れが経時的に蓄積されたりすると、部材表面の電気抵抗が増大し、イオンの電荷が蓄積されて、帯電現象が発生する。
【００３１】
イオンビーム２９は、２０〜５０ｅＶ程度の低エネルギー状態であるため、中間スリット２２、差動排気オリフィス２３、入射ビーム規制スリット２４の３者に、わずかでも、帯電現象が発生すると、イオンビーム２９は、容易に偏向を受け、イオンが、イオン溜２５に、スムーズには導入されなくなってしまう。
【００３２】
そのとき、もし仮に、中間スリット２２、差動排気オリフィス２３、入射ビーム規制スリット２４などの、イオンが衝突する部材に、図示しない電源から、イオンの極性とは逆の極性を持ち、イオンを８０ｅＶ以上に加速できる直流電圧を印加してやれば、イオンは、８０ｅＶ以上の入射エネルギーで、中間スリット２２、差動排気オリフィス２３、および、入射ビーム規制スリット２４に、激しく衝突することになる。
【００３３】
金持徹編、「真空技術ハンドブック」（１９９０年、日刊工業新聞社刊）の第６章、図６．５．３に掲載されているグラフを、図４に示す。これによると、入射イオンエネルギーが、２百数十ｅＶ以上になると、イオンが衝突する際に、スパッタリング効果が見られるようになる。
【００３４】
したがって、中間スリット２２、差動排気オリフィス２３、および、入射ビーム規制スリット２４に、図示しない電源から、イオンの極性とは逆の極性を持つ、２００Ｖ以上の直流電圧を印加してやれば、イオンビームが本来持っている２０〜５０ｅＶ程度の低エネルギーと足し合わされて、２百数十ｅＶ以上の入射イオンエネルギーとなり、中間スリット２２、差動排気オリフィス２３、および、入射ビーム規制スリット２４と衝突する際に、それらの表面を、スパッタすることになる。尚、実験の結果では、８０ｅＶ位からでも、スパッタリングの効果が認められた。
【００３５】
このスパッタリング効果により、部材表面に形成された、絶縁性の酸化膜や、部材表面の汚れが取り除かれると、中間スリット２２、差動排気オリフィス２３、および、入射ビーム規制スリット２４の帯電現象を、改善ないし緩和することができる。その結果、衝突するイオンの電荷は、帯電することなく、図示しない電極電源回路側に流れ、帯電によるイオンビームの偏向現象はなくなり、安定したイオンの輸送が行なえるようになる。
【００３６】
このように、飛行時間型質量分析装置に、測定モードの他に、中間スリット２２、差動排気オリフィス２３、および、入射ビーム規制スリット２４に、イオンの極性とは逆の極性を持ち、８０ｅＶ以上にイオンを加速できる直流電圧を印加するモードを設け、帯電が起きたときには、そのモードに切り換えるようにしてやれば、飛行時間型質量分析装置を分解掃除することなく、常に、快適な条件で、使用することが可能になる。
【００３７】
このとき、スパッタに用いるイオンは、必ずしも、試料イオンである必要はなく、例えば、ヘリウムイオンやアルゴンイオンや窒素ガスイオンなどの、不活性ガスのイオンや、酸素ガスなどの、活性ガスのイオンを用いてやれば良い。
【００３８】
尚、本発明には、変形例が可能である。例えば、図３では、中間スリット２２、差動排気オリフィス２３、入射ビーム規制スリット２４の３者すべてについて、電気絶縁部材で、接地された電位から分離し、図示しない電源により、所定の電圧が供給されるように構成したが、これは、中間スリットと、差動排気オリフィスと、入射ビーム規制スリットのうち、少なくとも１つだけが、電気絶縁材によって接地電位から分離され、電圧印加可能な電極構造を与えられていても良い。
【００３９】
例えば、図５に示すのは、差動排気オリフィス２３のみが、電気絶縁材によって接地電位から分離され、電圧印加可能な電極構造を与えられている例である。電気絶縁部材で、接地された電位から分離し、図示しない電源により、所定の電圧が供給されるようにする構成を、最も帯電が起こりやすい、差動排気オリフィス２３に対して実施するだけでも、その効果は大きい。
【００４０】
また、中間スリット２２、差動排気オリフィス２３、入射ビーム規制スリット２４などのうち、少なくとも１つの近傍、または、そのすべての近傍に、更に、加熱機構を設け、焼き出し効果をスパッタリング効果と併用することにより、部材表面に付着している汚染物質を除去する作業を、支援するようにしても良い。
【００４１】
尚、以上述べたような、イオンが低加速エネルギーで衝突する部分を、電気絶縁材によって接地電位から分離し、電圧を印加可能な構造にする方法は、１００ｅＶ以下の低加速エネルギーで、分析部にイオンを入射させる、四重極型の質量分析装置などに対しても、同様に適用できる。
【００４２】
【発明の効果】
本発明の結果、オリフィス部やスリット部での帯電現象を、改善ないし緩和することのできる質量分析装置を提供することが可能になった。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の飛行時間型質量分析装置を示す図である。
【図２】従来の飛行時間型質量分析装置を示す図である。
【図３】本発明の一実施例を示す図である。
【図４】入射イオンエネルギーとそれがもたらす効果との相関図である。
【図５】本発明の別の実施例を示す図である。
【符号の説明】
１・・・外部イオン源、２・・・第１のオリフィス、３・・・リングレンズ、４・・・第２のオリフィス、５・・・イオンガイド、６・・・レンズ群、７・・・ランチャー、８・・・リフレクター、９・・・イオン検出器、１０・・・差動排気壁、１１・・・中間室、１２・・・第３のオリフィス、１３・・・測定室、１４・・・イオン押し出しプレート、１５・・・グリッド、１６・・・加速レンズ、１７・・・イオン溜、１８・・・イオンビーム、１９・・・イオンパルス、２１・・・イオン生成・輸送部、２２・・・中間スリット、２３・・・差動排気オリフィス、２４・・・入射ビーム規制スリット、２５・・・イオン溜、２６・・・直交加速飛行時間型質量分析器（飛行時間型分光部）、２７・・・イオン押し出し電極、２８・・・イオン出射グリッド、２９・・・イオンビーム。

Claims

イオンが低加速エネルギーで衝突する部分を、電気絶縁材によって接地電位から分離し、電圧を印加可能な構造にしたことを特徴とする質量分析装置。
前記低加速エネルギーは、１００ｅＶ以下であることを特徴とする請求項１記載の質量分析装置。
試料をイオン化するイオン源と、
イオン源の後段に置かれ、イオン源よりも高い真空を維持する中間室にイオンを取り込むために設けられた中間スリットと、
中間スリットの後段に置かれ、取り込んだイオンを誘導するイオンガイドと、
イオンガイドの後段に置かれ、誘導されたイオンをより高真空領域に取り込む差動排気オリフィスと、
差動排気オリフィスの後段に置かれ、取り込まれたイオン流の形状を規制する入射ビーム規制スリットと、
入射ビーム規制スリットの後段に設けられたイオン溜と、
イオン溜内のイオンに、所定の運動エネルギーを与えて、イオン溜の軸方向と交差する方向に、パルス的にイオンを押し出して、イオンの飛行時間を分析する飛行時間型分光部と、
飛行時間型分光部を通って飛来するイオンパルスを検出するイオン検出部と
を備え、
前記中間スリットと、前記差動排気オリフィスと、前記入射ビーム規制スリットのうち、少なくとも１つを、電気絶縁材によって接地電位から分離し、電圧を印加可能な構造にしたことを特徴とする質量分析装置。
前記イオン源は、ＥＩイオン源、またはＣＩイオン源であることを特徴とする請求項３記載の質量分析装置。
前記入射ビーム規制スリットの後段に、洩れ電界を遮蔽する電界シールドを設けたことを特徴とする請求項３または４記載の質量分析装置。
前記中間スリット、前記差動排気オリフィス、前記入射ビーム規制スリットに印加される電圧は、イオンの極性と逆の極性を持ち、イオンを８０ｅＶ以上に加速できる直流電圧であることを特徴とする請求項３、４、または５記載の質量分析装置。
前記中間スリット、前記差動排気オリフィス、前記入射ビーム規制スリットのうちの少なくとも１つの近傍に、加熱機構を設けたことを特徴とする請求項３、４、５、または６記載の質量分析装置。